張心志

（安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801）

 

摘要：基于泵站對我國水利及水務事業的重要性，文章以城市供水行業大型泵站為對象，分析了泵站自動化技術 發展現狀，結合泵站自動化技術的發展需求，從管控一體化、系統自診斷、運行信息實時化管理等方面展望了泵 站自動化技術的發展趨勢。

關鍵詞：大型輸配水泵站；自動化技術；城市供水；管控一體化；運行信息管理

 

大型輸配水泵站是我國城市供水行業重要的工程設施，是輸供水的動力來源，承擔著為城市及地區供水的重任，隨著科學技術的飛速發展，我國大型供水泵站自動化技術也已經初步實現了集散控制，并向著測量、控制、管理一體化方向發展。

1.1 數據采集和處理技術

數據采集和處理技術是整個泵站信息化系統的基礎，主要承擔著泵站信息的采集和數據處理功能。通過現場控制單元來采集泵站日常運行過程中的各類電氣量信息（電壓、電流、功率等）、非電氣量信息（測點的溫度、壓力、流量等）、狀態量信息（機組的工作及檢修狀態等）、開關量信息（主變及線路的投退、機泵的啟停、排水泵和風機等附屬設備的控制等）、繼電保護信息（各類繼電保護的動作情況），采集信息后經過數據處理和邏輯判斷，對設備進行控制并輸出相應的告警信息。

目前，在監控信息化方面，新建的泵站都配備了計算機監控系統，基本實現了先進的視頻監控技術，同時結合包括Wincc、intouch等在內的眾多國際品牌計算機監控軟件及網絡等共同完成泵站監控系統架構。

1.2 運行調度技術

運行調度系統是泵站自動化的“神經"，能夠根據泵站實際運行情況來進行實時調度。在滿足泵站揚程與流量的前提下，尋找較優的運行方式，在成本較優的情況下實現泵站效益的較大化。運行調度系統通過計算機技術建立泵站控制對象模型，包括泵機經濟運行模型、泵站調度管理模型等，并結合效率、成本、流量等相關約束條件，根據目標函數實施優化控制、科學調度，通過對數學模型求解選擇較優的機組聯合運行模式，確定不同時段、不同流量的較優運行狀態，實現泵站的高效、優質、經濟運行。

目前，在運行調度方面，供水泵站都基本實現了不同水平的半自動化，數據通信已經實現“四遙"，有些大中型泵站可以達到以機待人、少人值守，甚至無人值守的自動化水平。

1.3 運行信息管理技術

泵站在運行中將產生大量信息，做好運行信息管理是泵站自動化的基礎。泵站實時運行信息管理包括實時數據采集和顯示、歷史數據綜合統計、泵站運行數據管理三大環節。其中實時數據采集主要包括泵站壓力、流量、水位等信息，能夠通過這些數據進行泵站可靠性分析，一旦發現異常能夠實時報警。數據信息綜合統計主要監測和存儲歷史數據，包括設備操作記錄、故障錄波等，便于進行統計、查詢和故障回溯。泵站運行數據管理主要包括泵站設備的配置維護和監測數據庫維護，為泵站正常運行提供數據和平臺支撐。

隨著計算機信息技術、數據庫技術、現場總線技術等的發展，很多泵站已經建設了光纖環網形式的站級測控局域網，實現了泵站數據的高速采集，并與上級信息中心可靠地聯網，進行統一的運行信息管理。

2.1 功能需求

（1）基本功能：泵站自動化技術發展的較低層次需求，主要包括泵機控制、異常報警、數據采集、

辦公自動化等，目前已經實現。

（2）高級功能：包括泵站自動化系統的自調節、自診斷、自恢復功能，基于SQL Server與Visual Studio等數據庫開發平臺，構建更適合泵站自動化的信息管理系統。

2.2 性能需求

（1）可靠性：泵站自動化水平與供水安全息息相關，泵站可靠性包括系統的穩定性、魯棒性、抗干

擾性、防誤操作能力、短時故障恢復能力等。

（2）適用性：泵站運行具有自身的特殊性，自動化系統的運行必須能夠適應泵站運行的實際情況，

為泵站開展水情測報、調度計劃、供水計量、信息管理等業務服務。

（3）節能性：泵站運行優化以低能耗、供水效率高為目標，因此，自動化系統應該在運行時

間、啟機次數、工藝選擇、算法優化等方面加強研究，提升節能性。

基于上文對泵站自動化技術的發展現狀和需求的分析，結合泵站自動化技術的發展情況，將泵站自動化技術的發展趨勢總結如下：

3.1 測量、控制、管理一體化

高速發展的科學技術為泵站自動化的業務集成提供了良好條件，嵌入式智能控制器以及集PLC、HMI、I/O 及通信于一體的“顯觸控一體化"OCS控制器等技術不斷出現，泵站自動化朝著測量、控制、管理的一體化方向發展，新型的綜合自動化監控系統在能夠測量與控制泵站內關鍵機電設備的同時，還能夠以多泵站整體運行較優為目的進行調度優化，集成泵站工作各個環節，將信號采集、設備控制、遠程監控、調度優化、運行管理進行一體化管理。

3.2 自診斷功能不斷完善

響應泵站自動化技術發展的高級功能和可靠性需求，新型的泵站自動化應不斷完善自診斷功能，實現智能故障診斷和自愈控制。目前，我國正在進行大規模的大中型泵站升級與改造工作，BP神經網絡、模糊運算、頻譜分析、狀態檢修、多信息融合等新技術將不斷應用于泵站故障診斷領域，提升泵站自動化的人機協作水平，推動泵站管理系統向自動化和智能化方向不斷發展，從簡單的數據監測向故障診斷、智能分析、專家會診等深層次應用轉變。

3.3 運行信息實時化管理

運行信息的實時化管理有助于更加便捷、高效地掌握泵站運行情況，進行科學決策，輔助泵站管理。未來泵站運行信息的實時化將能夠實現泵站運行實時監測、新衛星云圖實時接收、實時在線巡視、設備狀態實時上送，基于實時性平臺實現數據信息多方共享，數據中心和各個子站之間以專線接入，泵站檢測庫、水情庫、設備庫、決策支持庫等數據庫集成管理、專人維護。

4.1 泵站電氣監測與計量產品選型

4.1.1 RS485/以太網有線通訊電能計量儀表

APM系列網絡電力儀表按IEC標準設計，具有全電量測量，電能統計，電能質量分析及網絡通訊等功能，主要用于對電網供電質量的綜合監控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設計，當客戶需要增加開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出，SD卡記錄，以太網通訊時，只需在背部插入對應模塊即可。

 

功能特點：

?測量參數：全電量測量，四象限電能測量。

?脈沖輸出：有功無功電能脈沖輸出

?需量測量：三相電流、有功功率、無功功率、視在功率實時需量及大需

量(包含時間戳)

?極值統計：電流、線電壓、相電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功 率因數、頻率、電流總諧波、電壓總諧波的本月極值和上月極值(包含時間戳)

?電能質量：電流、線電壓、相電壓不平衡度；電壓相間角度、電流相間角度；電壓電流總(奇、偶)諧波含量；電壓電流分次諧波(2-63 次)諧波含量；電壓波峰系數；電話波形因子；電流 K 系數。

?報警記錄；共 66 種報警類型，每種類型可記錄較近 16 條報警記錄，支持SD 卡擴展記錄。

?事件記錄；可記錄較近 128 條事件記錄，支持 Micro SD 卡擴展記錄。

?擴展功能：復費率電能統計(總復費率電能及近 12 月復費率電能)；8 路開關量輸入+2 路轉換觸點繼電器輸出(8DI+2DO)；Micro SD 卡(TF 卡)存儲(報警記錄，事件記錄，電參量和電能定時記錄等)；8 路模擬量輸入(0.5 級)+4 路模擬量輸出(0.5級)(8AI+4AO)；1 路 RS485/Modbus-RTU，支持主站模式或從站模式；1 路 Profibus-DP；1 路以太網，支持 Modbus-TCP、http、SMTP、DHCP 協 議；

 

DTSD系列產品采用DIN35mm導軌式安裝結構，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進行時鐘、費率時段等參數設置，精度高、可靠性好、性能指標符合國標GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業標準DL/T614-2007對電能表的各項技術要求，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機實現數據交換。

 

功能特點：

?測量功能：能測量全電力參數包括電壓 U、電流 I、有功功率 P、無功功率 Q、視在功率 S、功率 因數 PF、頻率、31 次分次諧波及總諧波含量。其中電壓 U 保留 1 位小數，頻率 F 保留 2 位 小數，電流 I 保留 2 位小數，功率 P 保留 3 位小數。

?計量功能： 能計量當前組合有功電能，正向有功電能，反向有功電能，正向無功電能，反向無功電能。

?分時功能：兩套時段表，一年可以分為 4 個時區，每套時段表可設 14 個日時段，4 個費率(F1、F2、 F3、F4 即尖峰平谷) 。分時計費的基本思想就是把電能作為一種商品，利用經濟杠桿，用 電高峰期電價高，低谷時電價低，以便削峰填谷，改善用電質量，提高綜合經濟效益。

?歷史數據統計功能：能統計上 48 月的歷史電能（各費率電能）和上 90 日的歷史電能（各費率電能）。

?開關量輸入輸出功能：有一路開關量輸出，一路開關量輸入，開關量輸出為繼電器輸出，可以實現“遙控"和 報警輸出。開關量輸入不僅能夠采集和顯示本地的開關信息，同時可以通過儀表的 RS485 實現遠程傳輸功能，即“遙信"功能。

?測溫功能：支持三路外置 NTC 測溫功能，測溫范圍為-40℃~99℃。

?通信：RS485 口：Modbus RTU 規約、DL/T645 規約。

4.1.2 無線通訊電能計量儀表

 

 

ADW300無線計量儀表主要用于計量低壓網絡的三相有功電能，具有RS485通訊和470MHz無線通訊功能，方便用戶進行用電監測、集抄和管理。可靈活安裝于配電箱內，實現對不同區域和不同負荷的分項電能計量，統計和分析。

 

功能特點

?電能計量：有功電能計量（正、反向）， 四象限無功電能。

?電量測量：電壓、電流、功率因數、頻率、有功功率、無功功率、視在功率。

?諧波功能：總諧波含量、分次諧波含量（2～31 次）。

?脈沖輸出：有功脈沖輸出。

?三相不平衡度：電壓、電流不平衡度。

?測溫功能：A、B、C、N 四路測溫（選配 T）。

?開關量DI/DO：4DI,2DO（選配 K）。

?電參量報警：欠壓、過壓、欠流、過流、欠載、過載等。

?通訊：紅外通訊，RS485 接口（選配 C），470MHz 無線傳輸（選配 LR），GPRS 無線通訊（選配 2G），NB-IOT 無線通訊（選配 NB）。

4.1.3 與自動化系統配套用的電力變送器

安科瑞BD系列電力變送器是一種將電網中的電流、電壓、頻率、功率、功率因數等電參量，經隔離變送成線性的直流模擬信號4-20mA或數字信號0-5V的裝置。

 

                                   

4.2 泵站非電量信息監測產品選型

PZ96B系列數顯工控儀表是一種用于電力及工業自動化測量的智能儀表，集多種功能于一身，一表多用，可測量直流電壓，直流電流，帶DC24V電源輸出可給外部兩線式變送器直接供電。儀表帶有多種可選功能：rs485接口，模擬量輸出，開關量輸入，繼電器報警輸出等。廣泛應用于電力直流屏監測，工業自動化控制領域的壓力，溫度，位移等的測量和控制。

備注：*號參考表格一的功能代號。

表格一：功能代號

 

 

4.3 泵站不解地/漏電保護產品選型

 

ASJ系列繼電器可與低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式的剩余電流動作保護器，主要適用于交流50Hz，人身觸電危險提供間接接觸保護。

             

功能特點：

?該裝置主要應用于系統保護，作為直接電擊、間接電擊、電器火災以及分級保護的防護。在直接電擊 防護中只作為補充防護，此時額定剩余動作電流不超過 30mA。

?下列設備和場所必須安裝保護裝置：移動式電器設備及手持式電動工具，生產用的電器設備，額定電壓為400V及以下的TT或TN系統配電線路，防止接地故障電流引起的設備和電氣火災事故，也可用于對施工工 地的電氣機械設備，安裝在戶外的電器裝置等（詳見 GB13955）。

?額定剩余動作電流應充分考慮系統正常泄漏電流值。一般不小于正常實測泄漏電流較大值的 2-4 倍：分 支線 4 倍；支線 2.5 倍；干線 2 倍。根據經驗公式： 單相回路：I△n≥In/2000（照明） 三相回路：I△n≥In/1000（動力或動力照明混合）式中 In 為線路較大供電電流。 ● 為了保證分級保護動作的選擇性，上下級間的電流和時間配合應符合下列規定： I△n1（上級）≥I△n2（下級） tF（上級 ASJ 返回時間）＞tFa（下級 ASJ 分斷時間），時間差不小于 0.2s。 一般分支線和末端：30～100mA、≤0.1s；支線：300～500mA、0.2～0.8s； 干線：500~1000mA、≤2s 。

 

4.4 泵站馬達/智能電動機保護產品選型

ALP300 保護器，采用新的單片機技術，具有抗干擾能力強、工作穩定可靠、數字化、智能化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現的起動超時、過壓、欠壓、過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、阻塞、短路、外部故障等多種情況進行保護，現場維護人員可通過數碼管顯示屏快速查找故障原因。本保護器具有 RS485 遠程通訊接口，DC4～20mA 模擬量輸出，方便與 PLC、PC 等控制機組成網絡系統，實現電動機運行的遠程監控。

 

 

功能特點：

?過載/欠載保護

?接地/漏電保護

?斷相保護

?堵轉保護

?阻塞保護

?電流不平衡保護

?過壓/欠壓保護

?定時限過載保護

?外部故障保護

 

ARD2F 系列智能電動機保護器（以下簡稱保護器）能對電動機運行過程中出現的多種故障情況進行保護，并設有 SOE 故障事件記錄功能，方便現場維護人員查找故障原因。本保護器具有 RS485 遠程通訊接口，DC4～20mA 模擬量 輸出，方便與 PLC、PC 等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監控。

 

功能特點:

?保護參數：過載保護；啟動保護；欠載保護；斷相保護；相序保護；不平衡保護；接地/漏電保護；短路保護；過壓保護；欠壓保護；堵轉保護；欠功率保護；過功率保護；阻塞保護；溫度保護；外部故障保護；

?控制參數：控制權限；啟動控制；自啟動；失壓重啟動；回流檢測；DO3可編程設定；DO4可編程設定；DI9可編程設定；9TEST

 

ARD3T 智能型電動機保護器（以下簡稱 ARD3T），ARD3T 可劃分為主體模塊、測量模塊、開關量模塊、模擬量模塊、溫度模塊、通訊模塊、液晶模塊共 7 個模塊。產品體積小巧，結構緊湊，適用于額定電壓至 AC 660V、額 定電流至 AC 800A、額定頻率為 50/60Hz 的電動機。在低壓控制終端柜和 1/4 模數及以上各種抽屜柜中可直接安 裝使用，提高了控制回路的可靠性和自動化水平.

 

功能特點：

?輔助電源支持 AC/DC 110/220V 或 AC 380V（需另配 380V 電源模塊） 

?模塊式設計，分為主體模塊、測量模塊、開關量模塊、模擬量模塊、溫度模塊、通訊模塊、液晶模塊等 7 個模塊。 

?模塊體積小巧，支持導軌安裝、螺絲固定安裝。 

?附加模塊采用總線供電，不需要外接輔助電源。 

?帶有上位機配置軟件，方便客戶配置參數，編程設置。 

?DI/DO 可自由編程。 

?DI 支持干接點（弱電）或濕節點（強電）輸入，濕接點可選交流或直流供電。 

?標配過載、堵轉、阻塞、欠載、斷相、不平衡、PTC 保護、外部故障等電動機綜合保護功能。 

?標配保護模塊模式、直接起動、星三角起動、自耦降壓起動、雙向起動、單繞組雙速起動、雙繞組雙速起動 等多種起動方式，起動方式可現場設定。 

?標配故障記錄、運行管理信息，方便查詢故障原因，進行電機維護。 

?標配自起動功能，可通過附加抗晃電模塊實現抗晃電、失壓重起功能。 

?顯示部分采用全中文液晶顯示。 

?可通過添加模擬量模塊實現 2 路 4～20mA 輸入測量和 2 路 4～20mA 變送輸出。4～20mA 變送輸出對應參數可 自由設定。 

?可通過添加溫度模塊實現 3 路溫度測量保護，可外接傳感器類型有：PT100、PT1000、Cu50、PTC、NTC。 

?可通過添加 Profibus 模塊實現 Profibus-Dp 通訊。

 

ARD3M 智能電動機保護器（以下簡稱保護器）適用于額定電壓至 660V 的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動機安全運行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式?？蛇x配不同通訊模塊適應現場通訊需求。

    

功能特點：

?輔助電源類型可選，AC220V 電源模塊支持電源范圍 AC85-265V/DC100-300V，AC380V 電源模塊支持電源范圍 AC/DC100-415V。 

?支持基波和全波電力參數測量（U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ），電壓及電流不平衡度，電壓、電流正序、負序、零序分量，三相電壓相角，剩余電流，電壓、電流 2-63 次分次諧波測量，分次諧波含有率及總諧波畸變率。

?保護功能包括過載反時限、過載定時限、接地、起動超時、漏電、欠載、斷相、堵轉、阻塞、短路、溢出、不平衡(電流、電壓)、過功率、欠功率、過壓、欠壓、相序、溫度、tE時間、外部故障、起動次數限制、運行時間報警、故障次數報警。

?10 路可編程 DI 輸入，默認采用內置 DC24V 電源，也可選擇外部有源濕接點（詳見選型表格）。 

?6 路可編程 DO 輸出，滿足直接起動，星—三角起動，自耦變壓器起動，等多種起動方式，可通過通訊總線實現主站對電動機的遙控“起/停"。 

?可選抗晃電功能：支持晃電立即再啟動、失壓重起動。 

?標配 2 路 MODBUS_RTU 通訊，有 PROFIBUS DPV1、以太網、PROFINET 通訊模塊供選配。 

?可選配 2 路 DC4-20mA 模擬量輸出接口，與 DCS 系統相接，可實現對現場設備的監控。 

?具有故障記錄、起動記錄、停車記錄、DI 變位記錄和再起動記錄等各類事件記錄，可查看多項電機運維信息，同時可記錄電機運行 1-5 小時運行記錄。

?顯示界面支持中/英文液晶顯示。 

?支持 U 盤導出波形記錄與事件記錄數據，可使用 EXCEL 打開導出事件記錄文件。

?選配彩色液晶顯示時可加配 WIFI 功能，通過手機或電腦連接該 WIFI 查看、設置電機保護器相關數據.

4.5 泵站電能質量諧波治理+無功補償產品選型

APView電能質量在線監測裝可以對電網的電能質量做出精確的檢測和分析，測量電網的電能質量水平，并分析和判斷造成各種電能質量問題的原因，為電能質量的改善提供依據。

   

功能特點：

?監測功能：U，I，P,Q,S,PF,基波P、Q、PF、φ；電壓偏差，頻率偏差，三相電壓、電流不平衡；2-63次諧波電壓含有率；2-63次諧波電流含有率；2-63次諧波電流有效值；2-63次諧波相角；諧波功率；0.5-63.5次間諧波電壓含有率，0.5-63.5次諧波電流含有率；0.5-63.5次間諧波電流有效值；閃變：短閃變、長閃變；電壓波動。

?暫態數據：電壓暫將，電壓暫升，短時中斷，沖擊電流，以上事件數據；觸發記錄的波形數據；觸發記錄的有效值數據。

?統計分析：具有按設定周期統計電能質量指標的功能。較大值、較小值、平均值、95%概率值、方均根值、越限次數、合格率。

?故障錄波、記錄存儲：穩態觸發波形記錄、運行日志記錄、事件波形記錄（COMTRADE，至少包含開始前5個周波和結束后5個周波）、電壓幅值、電壓偏差、三相不平衡度、諧波、間諧波、頻率偏差、短時間閃變、長時間閃變、穩態測量數據、暫態事件記錄、暫態事件觸發的波形記錄（COMTRADE）。

?通訊接口：以太網接口；EIA RS232/485接口；USB接口；支持MODBUS-RTU、MODBUS-TCP、變電站層IEC-61850(MMS)。

 

ANAPF系列有源電力濾波器通過電流互感器采集系統諧波電流，經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產生諧波電流指令，通過功率執行器件產生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入電力系統中，從而抵消非線性負載所產生的諧波電流。

   

產品特點：

?補償方式靈活：既可補諧波，又可兼補無功，可對 2-51 次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償； 

?可治理三相不平衡； 

?線性補償，響應時間≤5ms； 

?具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統和本體的實時電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也可以本控； 

?采用進口IGBT，功率密度大，可靠性高； 

?采用 DSP高速檢測和運算的數字控制系統； 

?監控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過 PC 機實時監控； 

?標準模塊化設計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。

 

ANSVG靜止無功發生器是一種用于補償無功、諧波治理以及不平衡調節的新型電力電子裝置；智能控制系統主動根 據系統的線性動態需求，自動調節模塊的輸出；ANSVG整機主要是由ANSVG模塊組成；能完成更大容量的無功 功率的補償，整機通過一個7寸觸摸屏實現人機交互。觸摸屏通過RS485與ANSVG模塊進行通信。

 

功能特點：

?補償方式靈活：補償負載無功，濾除 5、7、9、11、13 次以內的諧波； 

?可治理三相不平衡； 

?線性補償，響應時間≤5ms； 

?具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統和本體的實時電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也可以本控； 

?采用進口IGBT，功率密度大，可靠性高； 

?采用 DSP 高速檢測和運算的數字控制系統； 

?監控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過 PC 機實時監控； 

?標準模塊化設計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。

 

 

泵站自動化技術的提升有利于提升精細化管理水平、提高調度優化水平能力、增強泵站聯合運行能力， 根據《全國水利自動化與信息化規劃》，我國將依據“科學規劃、分步實施"的原則，有步驟地推進泵站自動化與信息化建設，未來泵站自動化技術將持續向前發展。作為城市供水行業的大中型泵站，其自動化技術的發展趨勢同樣會結合地區及行業的實際情況，向著科學化、現代化方向遞進。

 

 

參考文獻

[1]王學明．泵站自動化的發展趨勢[ J ]．科技信息， 2011，23（12）．

[2]朱正偉，徐青，唐鴻儒．南水北調東線工程泵站自動化系統設計關鍵技術[J]．南水北調與水利科技， 2011，5（29）．

[3]楊慶九，泵站自動化技術的發展趨勢分析。

[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版

作者簡介：

張心志，男，安科瑞電氣股份有限公司